DE10039619A1 - Induktiver Näherungssensor mit Schwingkreis - Google Patents
Induktiver Näherungssensor mit SchwingkreisInfo
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Abstract
Der Sensor (1) enthält eine erste Wicklung (11) und eine zweite Wicklung (12), welche elektromagnetisch mit der ersten Wicklung verbunden und auf einer Seite des Ferrittopfs angebracht ist, wobei die Achse (120) der zweiten Wicklung nicht koaxial zur Achse (110) der ersten Wicklung ist. DOLLAR A Diese besondere Anordnung der zwei Wicklungen erhöht den Tatbestand D eines metallischen Ziels (3).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen induktiven
Näherungssensor, der mit einem Schwingkreis bestehend aus
zwei elektromagnetisch miteinander verbundenen Wicklungen
ausgestattet ist.
Das Patent US-A-4.942.372 beschreibt einen
Näherungssensor dieses Typs, wobei die erste Wicklung den
Schwingstrom fliessen lässt, während die zweite Wicklung
zur Kompensation der Effekte der Wärmeschwankungen der
ersten Wicklung dient. In der in diesem Dokument
beschriebenen Vorrichtung sind die beiden Wicklungen
koaxial zueinander in demselben Ferrittopf angeordnet, so
dass ihre Temperaturen möglichst gleich gross sind. Der
Nachteil dieses Typs von Detektor ist, dass der Tastabstand
stark vom Material des abzutastenden Ziels abhängt. So
entspricht zum Beispiel der Tastabstand von einem Ziel aus
Aluminium ungefähr 0.4 Mal demjenigen eines Ziels aus
Stahl.
Andere Dokumente beschreiben noch andere mit zwei
Wicklungen ausgestattete Detektoren. Die bekannten
Dokumente beschreiben immer eine koaxiale Anordnung dieser
beiden Wicklungen, gleichgültig ob sie in demselben
Ferrittopf untergebracht sind oder nicht. Die koaxiale
Geometrie dieser Sensoren führt dazu, dass die magnetischen
Feldlinien eine schwache Ausdehnung parallel zur Längsachse
der Vorrichtung haben, was einen relativ kurzen Tastabstand
dieser Sensoren zur Folge hat.
Ein erstes Ziel der Erfindung ist daher, einen
induktiven Sensor mit einem Schwingkreis bestehend aus zwei
elektromagnetisch miteinander verbundenen Wicklungen
vorzuschlagen, der im Vergleich zu den bekannten Sensoren
verbessert wird.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist, einen
induktiven Sensor mit einem Schwingkreis bestehend aus zwei
elektromagnetisch miteinander verbundenen Wicklungen
vorzuschlagen, wobei der Tastabstand im Vergleich zu den
bekannten Sensoren vergrössert wird.
Diese Ziele werden durch einen induktiven Sensor
wie im ersten Anspruch beschrieben erreicht. Die abhängigen
Ansprüche beschreiben besondere Ausführungsformen oder
Varianten eines solchen Sensors.
Ein besondere Ausführungsform eines Sensors gemäss
der Erfindung ist nachfolgend beschrieben, wobei diese
Beschreibung im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung
zu betrachten ist, in welcher:
Fig. 1 einen Sensor gemäss einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt zeigt, und
die Fig. 2A und 2B zwei weitere
Ausführungsformen eines Sensors gemäss der Erfindung
zeigen.
Der Sensor 1 gemäss der hier beschriebenen
Ausführungsform besteht insbesondere aus einem Ferrittopf
10, in welchem die erste Wicklung 11 untergebracht ist. Die
zweite Wicklung 12 ist auf einer Seite des Ferrittopfs
angebracht, wobei die Achse 120 dieser zweiten Wicklung 12
im Wesentlichen senkrecht zur Achse 110 der ersten Wicklung
11 steht. Die Achsen, welche hier und in den Ansprüchen,
welche Wicklungen betreffen, erwähnt sind, entsprechen
jedes Mal der zur Ebene der Windungen der entsprechenden
Wicklungen senkrechten Achse. Diese Achse verläuft parallel
zur Richtung des Eigendurchflusses der Wicklung im Inneren
besagter Wicklung.
Der Sensor 1 wird durch einen elektronischen
Schaltkreis 13 vervollständigt, der vorzugsweise auf einem
Plättchen montiert wird, welches auf dem hinteren Teil des
Topfs fixiert ist, wobei die Enden der Spulendrähte der
beiden Wicklungen 11 und 12 mit diesem elektronischen
Schaltkreis verbunden werden. Im vorliegenden Fall eines
Sensors des versenkbaren Typs ist die obenerwähnte
Konstruktion von einer Schutzhülle 2 umgeben, die dem
mechanischen Schutz der Vorrichtung und seiner Festigkeit
dient und seine Fixierung in einem Teil eines Gestells 20
erlaubt. In diesem Fall ist die Hülle 2 leitfähig, was
ausserdem die Funktion einer elektromagnetischen
Abschirmung garantiert.
Da die zwei Wicklungen 11 und 12 durch Ströme mit
Frequenzen zwischen 150 kHz und 500 kHz gespiesen werden,
zeigt die Figur ferner die verschiedenen magnetischen
Flüsse, welche durch die zwei Wicklungen produziert werden.
Man hat also zuerst den durch die erste Wicklung 11
produzierten Fluss Φ11, den durch die zweite Wicklung 12
produzierten Fluss Φ12 und den durch die Verbindung beider
Wicklungen 11 und 12 produzierten gemeinsamen Fluss Φ11-12.
Wenn auf der Seite des Ferrittopfs 10 einen
Zwischenraum zwischen besagtem Ferrittopf und der Hülle 2
gelassen wird, um die zweite Wicklung 12 einzusetzen, und
wenn besagte zweite Wicklung senkrecht zu besagter erster
Wicklung plaziert wird, wird die Aufteilung des gemeinsamen
Flusses Φ11-12 in dieser Zone verzerrt, was diesem erlaubt,
sich mehr in Richtung des abzutastenden Metallziels
auszudehnen.
Da im Fall dieses Detektors der elektronische
Schaltkreis so gebaut ist, dass er ein Zielabtastsignal
aussendet, wenn der gemeinsame Fluss Φ11-12 durch ein
Metallziel unterbrochen wird, wie in der Figur dargestellt,
erhöht die Ausdehnung dieses gemeinsamen Flusses in
Richtung des Ziels den Tastabstand D.
Um den äusseren Durchmesser des Sensors, bzw. der
Hülle, nicht unnötig zu erhöhen, wird einfach die
Symmetrieachse 110 der ersten Wicklung 11, respektive des
Topfs 10, relativ zur Symmetrieachse 200 der Hülle 2
verschoben. Die Verschiebung wird so durchgeführt, dass ein
genügend grosser Zwischenraum auf einer Seite des
Ferrittopfs 10 gelassen wird, um Platz für das Einsetzen
der zweiten Wicklung 12 zu gewähren.
Da der äussere Durchmesser des Ferrittopfs 10 daher
kleiner als der Durchmesser der Hülle 2 ist, wurden
Versuche zur Bestimmung des optimalen Verhältnisses
zwischen diesen zwei Durchmessern durchgeführt. Diese
Versuche haben gezeigt, dass der Tastabstand D am grössten
für ein Verhältnis zwischen dem äusseren Durchmesser des
Ferrittopfs 10 und dem Durchmesser der Hülle 2 von 0.5 bis
0.8 ist, wobei die besten Resultate bei einem Verhältnis
von ca. 2/3 erzielt wurden.
Um zu verhindern, dass ein Teil des gemeinsamen
Flusses Φ11-12 sich auf die obere ebene Fläche des Gestells
2 ausdehnt, welche sich beiderseits der Endflächen 21 der
Hülle 2 ausstreckt, und dass so allfällige auf dieser
Fläche liegende metallische Teilchen oder Rückstände
abgetastet werden könnten, verschiebt man die obere Fläche
100 des Ferrittopfs 10 gegen das Innere der Hülle 2, um
einen Zwischenraum g zwischen der oberen Fläche 100 des
Ferrittopfs 10 und der Endfläche 21 der Hülle 2
freizulassen. Dieser Zwischenraum wird im Allgemeinen mit
einem Harz oder einem synthetischen Material ausgefüllt, um
die im Innern der Hülle 2 angebrachte Vorrichtung zu
schützen. Vorzugsweise bewegt sich das Verhältnis zwischen
dem Wert dieses Zwischenraums g und dem äusseren
Durchmesser der Hülle 2 zwischen 0.08 und 0.3 und beläuft
sich mit Vorteil auf 1/6.
Man stellt daher fest, das eine Verschiebung der
beiden Wicklungen 11 und 12 eine Verzerrung des gemeinsamen
Flusses Φ11-12 bewirkt, wobei dieser in Richtung des Ziels
ausgedehnt und dadurch der Tastabstand erhöht wird. Eine
bevorzugte Ausführungsform der Verschiebung dieser beiden
Wicklungen wurde oben beschrieben, aber andere Ausführungs
formen einer solchen Verschiebung sind vorstellbar.
Ausserdem ist gemäss der bevorzugten
Ausführungsform die erste Wicklung in einem Ferritopf
untergebracht, während die zweite Wicklung keinen Kern
enthält. Dieses Merkmal ist nicht direkt signifikant für
den gewünschten Effekt und andere Anordnungen sind auch
denkbar.
Die Fig. 2A et 2B zeigen, als Beispiel, andere
mögliche Konfigurationen der relativen Anordnung der beiden
Wicklungen.
In der Fig. 2A ist die zweite Wicklung 12 parallel
zur ersten Wicklung 11 angebracht, während in der Fig. 2B
die beiden Achsen 110 und 120 der beiden Wicklungen einen
Winkel grösser als 0° und kleiner als 90° bilden.
Es ist somit verständlich, dass der Winkel zwischen
den beiden Achsen 110 und 120 der Spulen unwichtig ist; es
genügt, wenn die beiden Spulen so verbunden werden, dass
der Maximalwert des gemeinsamen Flusses Φ11-12 relativ klein
ist aber genügend verzerrt wird, um sich so weit wie
möglich in Richtung des abzutastenden Metallziels
auszudehnen. Auf diese Weise hat das Ziel einen maximalen
Einfluss auf die Verbindung.
In allen beschriebenen und als Beispiel
ausgeführten Fällen sind die beiden Achsen 110 und 120 der
ersten Wicklung 11 und der zweiten Wicklung 12 nicht
koaxial.
Dieselben Figuren zeigen auch einige mögliche
Variationen bezüglich der Ferritkerne. So enthalten zum
Beispiel alle in den Figuren gezeigten Vorrichtungen eine
erste in einem Ferrittopf untergebrachte Wicklung 11, wobei
die Fig. 1 und 2B die zweite Wicklung 12 als Kernfreie
Wicklung zeigen, während die Fig. 2A diese zweite Wicklung
auch in einem Ferrittopf untergebracht zeigt.
Es muss somit verstanden werden, dass, obwohl nicht
alle Varianten in den Figuren dargestellt sind, jede
Wicklung entweder eine Kernfreie Wicklung oder eine in
einem Ferrittopf untergebrachte Wicklung sein kann, oder
dass die zwei Wicklungen sogar in einem einzigen
gemeinsamen Ferrittopf untergebracht werden können.
Dies bedeutet, dass irgendeine der oben
beschriebenen oder noch denkbaren Variante der
Kernanordnung der Wicklungen mit irgendeiner der vorher
beschriebenen oder noch denkbaren Ausführungsform der
Geometrie der relativen Anordnung der beiden Wicklungen
assoziiert werden kann.
So erhält der Sensor gemäss der Erfindung durch die
beschriebene spezielle Anordnung der beiden verbundenen
Wicklungen einen grösseren Tastabstand im Vergleich zu
bekannten Sensoren mit demselben Durchmesser.
Claims (14)
1. Induktiver Näherungssensor (1) mit
Schwingkreis, beinhaltend:
- - eine erste Wicklung (11) mit einer ersten Achse (110),
- - eine zweite Wicklung (12) mit einer zweiten Achse (120),
- - wobei die erste Wicklung elektromagnetisch mit besagter zweiter Wicklung verbunden ist,
- - eine leitende Hülle (2), die mindestens die beiden Wicklung (11, 12) umgibt,
- - die Achsen (110, 120) der ersten Wicklung (11) und der zweiten Wicklung (12) nicht koaxial sind.
2. Sensor gemäss Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Achsen (110, 120) der ersten Wicklung
(11) und der zweiten Wicklung (12) parallel verlaufen.
3. Sensor gemäss Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Achsen (110, 120) der ersten Wicklung
(11) und der zweiten Wicklung (12) senkrecht zueinander
verlaufen.
4. Sensor gemäss Anspruch 1 dadurch gekenn
zeichnet, dass die Achsen (110, 120) der ersten Wicklung
(11) und der zweiten Wicklung (12) schräg zueinander
verlaufen.
5. Sensor gemäss einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der
besagten Wicklungen auf einem Ferritkern angebracht ist.
6. Sensor gemäss einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der
Wicklungen eine Kernfreie Wicklung ist.
7. Sensor gemäss Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, dass die beiden Wicklungen (11, 12) in einem
gemeinsamen Ferrittopf (10) untergebracht sind.
8. Sensor gemäss einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (110) der
ersten Wicklung (11) parallel zur Längsachse (200) der
Hülle (2) angeordnet ist.
9. Sensor gemäss Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Achse (110) der ersten Wicklung (11)
relativ zur Längsachse (200) der Hülle (2) radial
verschoben ist.
10. Sensor gemäss Anspruch 9, dadurch gekenn
zeichnet, dass sich das Verhältnis zwischen dem äusseren
Durchmesser des Ferrittopfs (10) und dem äusseren
Durchmesser der Hülle 2 von 0.5 bis 0.8 bewegt.
11. Sensor gemäss Anspruch 10, dadurch gekenn
zeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem äusseren
Durchmesser des Ferrittopfs (10) und dem äusseren
Durchmesser der Hülle (2) 2/3 beträgt.
12. Sensor gemäss einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ferrittopf (10)
im Innern der Hülle (2) zurückverschoben angebracht ist,
wobei eine Distanz (g) die Endfläche (21) der Hülle von der
oberen Fläche (100) des Ferrittopfs trennt.
13. Sensor gemäss dem Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Distanz
(g), welche die Endfläche (21) der Hülle von der oberen
Fläche (100) des Ferrittopfs trennt, und dem äusseren
Durchmesser der Hülle zwischen 0.08 und 0.3 liegt.
14. Sensor gemäss dem Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Distanz
(g), welche die Endfläche (21) der Hülle von der oberen
Fläche (100) des Ferrittopfs trennt, und dem äusseren
Durchmesser der Hülle sich auf 1/6 beläuft.
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